Apa itu Fisika Quantum?
Quantum physics is a branch of science that deals with discrete, indivisible units of energy called quanta as described by the Quantum Theory. Fisika kuantum adalah cabang ilmu pengetahuan yang berhubungan dengan diskrit, unit terpisahkan dari energi yang disebut kuanta seperti yang dijelaskan oleh Teori Quantum. There are five main ideas represented in Quantum Theory: Ada lima ide utama yang direpresentasikan dalam Quantum Teori:
- Energy is not continuous, but comes in small but discrete units. 1 Energi tidak kontinyu, tapi datang dalam tapi diskrit unit kecil. 1
- The elementary particles behave both like particles and like waves. 2 Partikel dasar berperilaku seperti partikel dan gelombang seperti. 2
- The movement of these particles is inherently random. 3 Gerakan partikel ini inheren acak. 3
- It is physically impossible to know both the position and the momentum of a particle at the same time. Secara fisik tidak mungkin untuk mengetahui baik posisi dan momentum sebuah partikel pada saat yang sama. The more precisely one is known, the less precise the measurement of the other is. 4 Semakin tepat satu diketahui, pengukuran tepat kurang dari yang lain. 4
- The atomic world is nothing like the world we live in. 5 Dunia atom tidak seperti dunia yang kita tinggal masuk 5
While at a glance this may seem like just another strange theory, it contains many clues as to the fundamental nature of the universe and is more important then even relativity in the grand scheme of things (if any one thing at that level could be said to be more important then anything else). Sementara sekilas ini mungkin tampak seperti hanya teori lain aneh, mengandung banyak petunjuk mengenai sifat dasar alam semesta dan yang lebih penting kemudian bahkan relativitas dalam skema besar hal (jika ada satu hal di tingkat yang bisa dikatakan lebih penting, maka hal lain). Furthermore, it describes the nature of the universe as being much different then the world we see. Selain itu, menggambarkan alam semesta sebagai jauh berbeda maka dunia yang kita lihat. As Niels Bohr said, "Anyone who is not shocked by quantum theory has not understood it." 6 Seperti Niels Bohr berkata, "Siapa pun yang tidak terkejut dengan teori kuantum tidak memahaminya." 6
Particle/Wave Duality Partikel / Wave Duality
Particle/wave duality is perhaps the easiest way to get aquatinted with quantum theory because it shows, in a few simple experiments, how different the atomic world is from our world. Partikel / Dualitas gelombang barangkali merupakan cara termudah untuk mendapatkan aquatinted dengan teori kuantum karena menunjukkan, dalam percobaan sederhana, betapa berbedanya dunia atom dari dunia kita.
First let's set up a generic situation to avoid repetition. Pertama mari kita membuat situasi generik untuk menghindari pengulangan. In the center of the experiment is a wall with two slits in it. Di tengah-tengah percobaan adalah dinding dengan dua celah di dalamnya. To the right we have a detector. Ke kanan kita memiliki sebuah detektor. What exactly the detector is varies from experiment to experiment, but it's purpose stays the same: detect how many of whatever we are sending through the experiment reaches each point. Apa sebenarnya detektor bervariasi dari percobaan untuk bereksperimen, tetapi tujuan itu tetap sama: mendeteksi berapa banyak dari apapun yang kita akan mengirim melalui percobaan mencapai setiap titik. To the left of the wall we have the originating point of whatever it is we are going to send through the experiment. Di sebelah kiri dinding kita memiliki titik yang berasal dari apa pun yang kita akan kirim melalui percobaan. That's the experiment: send something through two slits and see what happens. Itu percobaan: mengirim sesuatu melalui dua celah dan melihat apa yang terjadi. For simplicity, assume that nothing bounces off of the walls in funny patterns to mess up the experiment. Untuk mempermudah, asumsikan bahwa tidak ada yang memantul dari dinding dalam pola lucu untuk mengacaukan percobaan.
First try the experiment with bullets. Pertama mencoba bereksperimen dengan peluru. Place a gun at the originating point and use a sandbar as the detector. Tempat pistol pada titik yang berasal dan menggunakan pasir sebagai detektor. First try covering one slit and see what happens. Pertama coba meliputi satu celah dan lihat apa yang terjadi. You get more bullets near the center of the slit and less as you get further away. Anda mendapatkan peluru lebih dekat pusat celah dan kurang sebagai Anda mendapatkan lebih jauh. When you cover the other slit, you see the same thing with respect to the other slit. Ketika Anda menutup celah lain, Anda melihat hal yang sama sehubungan dengan celah lain. Now open both slits. Sekarang buka kedua celah. You get the sum of the result of opening each slit. 7 The most bullets are found in the middle of the two slits with less being found the further you get from the center. Anda mendapatkan jumlah hasil pembukaan setiap celah. 7 Peluru kebanyakan ditemukan di tengah dua celah dengan lebih sedikit ditemukan semakin jauh Anda mendapatkan dari pusat.
Well, that was fun. Nah, itu menyenangkan. Let's try it on something more interesting: water waves. Mari kita coba pada sesuatu yang lebih menarik: gelombang air. Place a wave generator at the originating point and detect using a wave detector that measures the height of the waves that pass. Tempatkan generator gelombang di titik yang berasal dan mendeteksi menggunakan detektor gelombang yang mengukur ketinggian gelombang yang melintas. Try it with one slit closed. Cobalah dengan satu celah tertutup. You see a result just like that of the bullets. Anda melihat hasil begitu saja dari peluru. With the other slit closed the result is the same. Dengan menutup celah lain hasilnya adalah sama. Now try it with both slits open. Sekarang cobalah dengan kedua celah terbuka. Instead of getting the sum of the results of each slit being open, you see a wavy pattern 8 ; in the center there is a wave greater then the sum of what appeared there each time only one slit was open. Alih-alih mendapatkan jumlah hasil setiap celah yang terbuka, Anda melihat pola bergelombang 8 , di tengah ada gelombang besar maka jumlah dari apa yang muncul di sana setiap kali hanya satu celah terbuka. Next to that large wave was a wave much smaller then what appeared there during either of the two single slit runs. Disamping itu gelombang besar adalah gelombang yang jauh lebih kecil maka apa yang muncul di sana selama salah satu dari dua berjalan celah tunggal. Then the pattern repeats; large wave, though not nearly as large as the center one, then small wave. Kemudian pola berulang; gelombang besar, meskipun tidak hampir sama besar, pusat satu maka gelombang kecil. This makes sense; in some places the waves reinforced each other creating a larger wave, in other places they canceled out. Ini masuk akal, di beberapa tempat ombak saling memperkuat menciptakan gelombang yang lebih besar, di tempat lain mereka dibatalkan. In the center there was the most overlap, and therefore the largest wave. Di bagian tengah ada yang paling tumpang tindih, dan oleh karena itu gelombang terbesar. In mathematical terms, instead of the resulting intensity being the sum of the squares of the heights of the waves, it is the square of the sum. Dalam istilah matematika, bukan intensitas yang dihasilkan menjadi jumlah kuadrat dari tinggi gelombang, itu adalah kuadrat dari jumlah tersebut.
While the result was different from the bullets, there is still nothing unusual about it; everyone has seen this effect when the waves from two stones that are dropped into a lake in different places overlap. Sedangkan hasil itu berbeda dengan peluru, masih ada yang tidak biasa tentang hal itu, semua orang telah melihat efek ini ketika gelombang dari dua batu yang jatuh ke danau di tempat yang berbeda tumpang tindih. The difference between this experiment and the previous one is easily explained by saying that while the bullets each went through only one slit, the waves each went through both slits and were thus able to interfere with themselves. Perbedaan antara percobaan ini dan sebelumnya adalah mudah dijelaskan dengan mengatakan bahwa sementara peluru masing-masing pergi melalui hanya satu celah, gelombang masing-masing pergi melalui kedua celah dan dengan demikian dapat mengganggu dengan diri mereka sendiri.
Now try the experiment with electrons. Sekarang coba percobaan dengan elektron. Recall that electrons are negatively charged particles that make up the outer layers of the atom. Ingatlah bahwa elektron bermuatan negatif partikel yang membentuk lapisan luar dari atom. Certainly they could only go through one slit at a time, so their pattern should look like that of the bullets, right? Tentu mereka hanya bisa masuk melalui satu celah pada satu waktu, maka pola mereka harus terlihat seperti itu dari peluru, kan? Let's find out. Mari kita cari tahu. (NOTE: to actually perform this exact experiment would take detectors more advanced then any on earth at this time. However, the experiments have been done with neutron beams 9 and the results were the same as those presented here. A slightly different experiment was done to show that electrons would behave the same way 10 . For reasons of familiarity, we speak of electrons here instead of neutrons.) Place an electron gun at the originating point and an electron detector in the detector place. (Catatan: benar-benar melakukan percobaan ini yang tepat akan mengambil detektor lebih maju maka setiap di bumi saat ini. Untuk Namun, percobaan telah dilakukan dengan neutron balok 9 dan hasilnya sama dengan yang disajikan di sini dilakukan. sedikit berbeda Sebuah eksperimen untuk menunjukkan bahwa elektron akan bersikap dengan cara yang sama 10 .. Untuk alasan keakraban, kita berbicara tentang elektron di sini bukan neutron) Tempatkan pistol elektron pada titik berasal dan detektor elektron di tempat detektor. First try opening only one slit, then just the other. Pertama coba buka hanya satu celah, maka hanya yang lain. The results are just like those of the bullets and the waves. Hasilnya sama seperti orang-orang dari peluru dan gelombang. Now open both slits. The result is just like the waves! 11 Sekarang buka kedua celah! Tersebut. Hasilnya adalah seperti ombak 11
There must be some explanation. Harus ada penjelasan. After all, an electron couldn't go through both slits. Setelah semua, elektron tidak bisa melalui kedua celah. Instead of a continuous stream of electrons, let's turn the electron gun down so that at any one time only one electron is in the experiment. Daripada terus menerus aliran elektron, mari electron gun ke bawah sehingga pada satu waktu hanya satu elektron dalam percobaan. Now the electrons won't be able to cause trouble since there is no one else to interfere with. Sekarang elektron tidak akan dapat menimbulkan masalah karena tidak ada orang lain yang mengganggu. The result should now look like the bullets. Hasilnya sekarang harus terlihat seperti peluru. But it doesn't! 12 It would seem that the electrons do go through both slits. Tapi itu tidak! 12 Tampaknya bahwa elektron lakukan melalui kedua celah.
This is indeed a strange occurrence; we should watch them ourselves to make sure that this is indeed what is happening. Ini memang suatu kejadian aneh, kita harus mengawasi mereka sendiri untuk memastikan bahwa ini memang apa yang terjadi. So, we put a light behind the wall so that we can see a flash from the slit that the electron went through, or a flash from both slits if it went through both. Jadi, kami menempatkan lampu di belakang dinding sehingga kita dapat melihat flash dari celah bahwa elektron melewati, atau flash dari kedua celah jika pergi melalui keduanya. Try the experiment again. Coba percobaan lagi. As each electron passes through, there is a flash in only one of the two slits. Seperti setiap elektron melewati, ada flash hanya salah satu dari dua celah. So they do only go through one slit! Jadi mereka hanya melewati satu celah! But something else has happened too: the result now looks like the result of the bullets experiment!! 13 Tetapi sesuatu yang lain telah terjadi juga: hasilnya sekarang tampak seperti hasil percobaan peluru!! 13
Obviously the light is causing problems. Jelas cahaya yang menyebabkan masalah. Perhaps if we turned down the intensity of the light, we would be able to see them without disturbing them. Mungkin jika kita menolak intensitas cahaya, kita akan bisa melihat mereka tanpa mengganggu mereka. When we try this, we notice first that the flashes we see are the same size. Saat kami coba ini, kita perhatikan pertama yang berkedip kita lihat adalah ukuran yang sama. Also, some electrons now get by without being detected. 14 This is because light is not continuous but made up of particles called photons. Juga, beberapa elektron sekarang mendapatkan dengan tanpa terdeteksi. 14 Hal ini karena cahaya tidak kontinu tetapi terbuat dari partikel yang disebut foton. Turning down the intensity only lowers the number of photons given out by the light source. 15 The particles that flash in one slit or the other behave like the bullets, while those that go undetected behave like waves 16 . Menolak intensitas hanya menurunkan jumlah foton yang diberikan oleh sumber cahaya. 15 Partikel-partikel yang flash di satu celah atau yang lain berperilaku seperti peluru, sementara mereka yang tidak terdeteksi berperilaku seperti gelombang 16 .
Well, we are not about to be outsmarted by an electron, so instead of lowering the intensity of the light, why don't we lower the frequency. Yah, kita tidak akan segera Mengakali oleh elektron, sehingga bukannya menurunkan intensitas cahaya, kenapa tidak kita menurunkan frekuensi. The lower the frequency the less the electron will be disturbed, so we can finally see what is actually going on. Semakin rendah frekuensi elektron dikurangi akan terganggu, sehingga kita akhirnya bisa melihat apa yang sebenarnya terjadi. Lower the frequency slightly and try the experiment again. Turunkan frekuensi sedikit dan melakukan percobaan lagi. We see the bullet curve 17 . Kita melihat kurva peluru 17 . After lowering it for a while, we finally see a curve that looks somewhat like that of the waves! Setelah menurunkan untuk sementara waktu, kita akhirnya melihat kurva yang terlihat agak seperti itu dari gelombang! There is one problem, though. Ada satu masalah, meskipun. Lowering the frequency of light is the same as increasing it's wavelength 18 , and by the time the frequency of the light is low enough to detect the wave pattern the wavelength is longer then the distance between the slits so we can no longer see which slit the electron went through 19 . Menurunkan frekuensi cahaya adalah sama dengan peningkatan's panjang gelombang itu 18 , dan saat frekuensi cahaya cukup rendah untuk mendeteksi pola gelombang panjang gelombang lebih panjang maka jarak antara celah sehingga kita tidak bisa lagi melihat celah elektron melewati 19 .
So have the electrons outsmarted us? Jadi memiliki elektron Mengakali kita? Perhaps, but they have also taught us one of the most fundamental lessons in quantum physics - an observation is only valid in the context of the experiment in which it was performed 20 . Mungkin, tetapi mereka juga mengajarkan kita salah satu pelajaran yang paling fundamental dalam fisika kuantum - observasi hanya berlaku dalam konteks percobaan yang dilakukan 20 . If you want to say that something behaves a certain way or even exists, you must give the context of this behavior or existence since in another context it may behave differently or not exist at all. Jika Anda ingin mengatakan sesuatu yang berperilaku dengan cara tertentu atau bahkan ada, Anda harus memberikan konteks ini perilaku atau ada sejak dalam konteks lain mungkin berperilaku berbeda atau tidak ada sama sekali. We can't just say that an electron is a particle, since we have already seen proof that this is not always the case. Kita tidak bisa hanya mengatakan bahwa elektron adalah sebuah partikel, karena kami telah melihat bukti bahwa hal ini tidak selalu terjadi. We can only say that when we observe the electron in the two slit experiment it behaves like a particle. Kita hanya bisa mengatakan bahwa ketika kita mengamati elektron dalam percobaan celah dua berperilaku seperti sebuah partikel. To see how it would behave under different conditions, we must perform a different experiment. Untuk melihat bagaimana ia akan berperilaku dalam kondisi yang berbeda, kita harus melakukan percobaan yang berbeda.
The Copenhagen Interpretation Interpretasi Kopenhagen
So sometimes a particle acts like a particle and other times it acts like a wave. Jadi kadang-kadang bertindak seperti sebuah partikel partikel dan waktu lain itu bertindak seperti gelombang. So which is it? Jadi mana yang benar? According to Niels Bohr, who worked in Copenhagen when he presented what is now known as the Copenhagen interpretation of quantum theory, the particle is what you measure it to be. Menurut Niels Bohr, yang bekerja di Kopenhagen ketika ia menyajikan apa yang sekarang dikenal sebagai interpretasi Copenhagen dari teori kuantum, partikel adalah apa yang Anda mengukur hal itu terjadi. When it looks like a particle, it is a particle. Ketika terlihat seperti sebuah partikel, itu adalah sebuah partikel. When it looks like a wave, it is a wave. Ketika terlihat seperti gelombang, itu adalah gelombang. Furthermore , it is meaningless to ascribe any properties or even existence to anything that has not been measured 21 . Selain itu, ada artinya untuk menganggap setiap properti atau bahkan keberadaan apa pun yang belum diukur 21 . Bohr is basically saying that nothing is real unless it is observed . Bohr pada dasarnya mengatakan bahwa tidak ada yang nyata kecuali diamati.
While there are many other interpretations of quantum physics, all based on the Copenhagen interpretation, the Copenhagen interpretation is by far the most widely used because it provides a "generic" interpretation that does not try to say any more then can be proven. Sementara ada penafsiran lain dari fisika kuantum, semua berdasarkan interpretasi Copenhagen, interpretasi Kopenhagen sejauh ini yang paling banyak digunakan karena memberikan "generik" interpretasi yang tidak mencoba untuk mengatakan apa-apa lebih bisa dibuktikan. Even so, the Copenhagen interpretation does have a flaw that we will discuss later. Meskipun demikian, interpretasi Kopenhagen memang memiliki cacat yang akan kita bicarakan nanti. Still, since after 70 years no one has been able to come up with an interpretation that works better then the Copenhagen interpretation, that is the one we will use. Namun, karena setelah 70 tahun tidak ada telah mampu untuk datang dengan sebuah interpretasi yang bekerja lebih baik maka interpretasi Copenhagen, yang adalah salah satu yang akan kita gunakan. We will discuss one of the alternatives later. Kita akan membahas salah satu alternatif nanti.
The Wave Function Fungsi Wave
In 1926, just weeks after several other physicists had published equations describing quantum physics in terms of matrices, Erwin Schrödinger created quantum equations based on wave mathematics 22 , a mathematical system that corresponds to the world we know much more then the matrices. Pada tahun 1926, hanya beberapa minggu setelah beberapa fisikawan lain telah menerbitkan persamaan yang menjelaskan fisika kuantum dalam hal matriks, Erwin Schrödinger menciptakan persamaan kuantum yang didasarkan pada matematika gelombang 22 , sebuah sistem matematika yang sesuai dengan dunia kita tahu lebih banyak maka matriks. After the initial shock, first Schrödinger himself then others proved that the equations were mathematically equivalent 23 . Setelah kejutan awal, Schrödinger pertama sendiri kemudian orang lain membuktikan bahwa persamaan yang secara matematis setara dengan 23 . Bohr then invited Schrödinger to Copenhagen where they found that Schrödinger's waves were in fact nothing like real waves. Bohr kemudian mengundang Schrödinger ke Kopenhagen di mana mereka menemukan bahwa gelombang Schrödinger yang berada dalam kenyataannya tidak seperti gelombang nyata. For one thing, each particle that was being described as a wave required three dimensions 24 . Untuk satu hal, setiap partikel yang sedang digambarkan sebagai gelombang dibutuhkan tiga dimensi 24 . Even worse, from Schrödinger's point of view, particles still jumped from one quantum state to another; even expressed in terms of waves space was still not continuous. Lebih buruk lagi, dari sudut pandang Schrödinger, partikel masih melompat dari satu keadaan kuantum yang lain, bahkan dinyatakan dalam ruang gelombang masih tidak kontinyu. Upon discovering this, Schrödinger remarked to Bohr that "Had I known that we were not going to get rid of this damned quantum jumping, I never would have involved myself in this business." 25 Setelah menemukan ini, Schrödinger berkata kepada Bohr bahwa "Seandainya aku tahu bahwa kami tidak akan menyingkirkan ini kuantum melompat terkutuk, aku tidak akan pernah melibatkan diri dalam bisnis ini." 25
Unfortunately, even today people try to imagine the atomic world as being a bunch of classical waves. Sayangnya, bahkan orang hari ini mencoba untuk membayangkan dunia atom sebagai sekelompok gelombang klasik. As Schrödinger found out, this could not be further from the truth. The atomic world is nothing like our world , no matter how much we try to pretend it is. Sebagai Schrödinger menemukan, ini tidak bisa lebih jauh dari kebenaran. Dunia atom tidak seperti dunia kita, tidak peduli berapa banyak kita mencoba berpura-pura itu. In many ways, the success of Schrödinger's equations has prevented people from thinking more deeply about the true nature of the atomic world 26 . Dalam banyak hal, keberhasilan's persamaan Schrödinger telah mencegah orang dari berpikir lebih mendalam tentang sifat sebenarnya dari dunia atom 26 .
The Collapse of the Wave Function Keruntuhan Fungsi Gelombang
So why bring up the wave function at all if it hampers full appreciation of the atomic world? Jadi mengapa memunculkan fungsi gelombang sama sekali jika hal itu menghambat penghargaan penuh dari dunia atom? For one thing, the equations are much more familiar to physicists, so Schrödinger's equations are used much more often then the others. Untuk satu hal, persamaan jauh lebih akrab bagi fisikawan, jadi persamaan Schrödinger adalah digunakan jauh lebih sering kemudian yang lain. Also, it turns out that Bohr liked the idea and used it in his Copenhagen interpretation. Juga, ternyata Bohr menyukai ide itu dan menggunakannya dalam penafsiran Kopenhagen nya. Remember our experiment with electrons? Ingat percobaan kami dengan elektron? Each possible route that the electron could take, called a ghost, could be described by a wave function 27 . Setiap rute kemungkinan bahwa elektron dapat mengambil, yang disebut hantu, dapat digambarkan oleh fungsi gelombang 27 . As we shall see later, the "damned quantum jumping" insures that there are only a finite, though large, number of possible routes. Seperti yang akan kita lihat nanti, yang "terkutuk melompat kuantum" menjamin bahwa hanya ada angka, terbatas, meskipun besar kemungkinan rute. When no one is watching, the electron take every possible route and therefore interferes with itself 28 . Bila tidak ada yang mengawasi, elektron mengambil setiap rute yang mungkin dan karena itu mengganggu dengan dirinya sendiri 28 . However, when the electron is observed, it is forced to choose one path. Namun, ketika elektron diteliti, maka dipaksa untuk memilih satu jalur. Bohr called this the "collapse of the wave function" 29 . Bohr ini disebut "runtuhnya fungsi gelombang" 29 . The probability that a certain path will be chosen when the wave function collapses is, essentially, the square of the path's wave function 30 . Probabilitas bahwa jalan tertentu yang akan dipilih bila runtuh gelombang fungsi ini, pada dasarnya, alun-alun dari itu fungsi gelombang jalan 30 .
Bohr reasoned that nature likes to keep it possibilities open, and therefore follows every possible path. Bohr beralasan bahwa alam suka tetap terbuka kemungkinan, dan karena itu mengikuti setiap jalur mungkin. Only when observed is nature forced to choose only one path, so only then is just one path taken 31 . Hanya ketika diamati adalah sifat dipaksa untuk memilih hanya satu jalur, sehingga hanya kemudian hanya satu jalur yang diambil 31 .
The Uncertainty Principle Prinsip Ketidakpastian
Wait a minute… probability??? If we are going to destroy the wave pattern by observing the experiment, then we should at least be able to determine exactly where the electron goes. Tunggu probabilitas ... menit??? Jika kita akan menghancurkan pola gelombang dengan mengamati percobaan, maka kita harus setidaknya mampu menentukan dengan tepat di mana elektron pergi. Newton figured that much out back in the early eighteenth century; just observe the position and momentum of the electron as it leaves the electron gun and we can determine exactly where it goes. Newton mengetahuinya banyak kembali di awal abad kedelapan belas, hanya mengamati posisi dan momentum elektron saat meninggalkan pistol elektron dan kita dapat menentukan dengan tepat mana ia pergi.
Well, fine. Yah, baik-baik saja. But how exactly are we to determine the position and the momentum of the electron? Tetapi bagaimana tepatnya kita untuk menentukan posisi dan momentum elektron? If we disturb the electrons just in seeing if they are there or not, how are we possibly going to determine both their position and momentum? Jika kita mengganggu elektron hanya dalam melihat jika mereka ada atau tidak, bagaimana kita mungkin akan menentukan baik posisi mereka dan momentum? Still, a clever enough person, say Albert Einstein, should be able to come up with something, right? Namun, orang yang cukup pandai, mengatakan Albert Einstein, harus dapat muncul dengan sesuatu, kan?
Unfortunately not. Sayangnya tidak. Einstein did actually spend a good deal of his life trying to do just that and failed 32 . Einstein memang benar-benar menghabiskan hidupnya baik berusaha untuk melakukan hal itu dan gagal 32 . Furthermore, it turns out that if it were possible to determine both the position and the momentum at the same time, Quantum Physics would collapse 33 . Selain itu, ternyata bahwa jika mungkin untuk menentukan baik posisi dan momentum pada saat yang sama, Quantum Fisika akan runtuh 33 . Because of the latter, Werner Heisenberg proposed in 1925 that it is in fact physically impossible to do so. Karena yang terakhir, Werner Heisenberg pada tahun 1925 yang diusulkan itu sebenarnya secara fisik tidak mungkin untuk melakukannya. As he stated it in what now is called the Heisenberg Uncertainty Principle, if you determine an object's position with uncertainty x, there must be an uncertainty in momentum, p, such that xp > h /4pi, where h is Planck's constant 34 (which we will discuss shortly). Sebagaimana ia menyatakan hal itu dalam apa yang sekarang disebut Ketidakpastian Heisenberg Prinsip, jika Anda menentukan objek posisi sebuah dengan ketidakpastian x, harus ada ketidakpastian dalam momentum, p, sehingga h> xp / 4pi, di mana h adalah konstanta Planck 34 (yang kita akan membahas segera). In other words, you can determine either the position or the momentum of an object as accurately as you like, but the act of doing so makes your measurement of the other property that much less. Dengan kata lain, Anda dapat menentukan baik posisi atau momentum dari suatu objek seakurat Anda suka, tetapi tindakan melakukannya Anda membuat pengukuran aset lain yang jauh lebih sedikit. Human beings may someday build a device capable of transporting objects across the galaxy, but no one will ever be able to measure both the momentum and the position of an object at the same time. Manusia suatu hari nanti bisa membangun sebuah perangkat yang mampu mengangkut benda-benda di galaksi, tapi tak seorang pun akan pernah mampu mengukur baik momentum dan posisi objek pada saat yang sama. This applies not only to electrons but also to objects such as tennis balls and toasters, though for these objects the amount of uncertainty is so small compared to there size that it can safely be ignored under most circumstances. Hal ini tidak hanya berlaku untuk elektron tetapi juga untuk benda-benda seperti bola tenis dan pemanggang roti, meskipun bagi obyek-obyek jumlah ketidakpastian sangat kecil dibandingkan dengan ada ukuran yang dapat diabaikan dengan aman dalam berbagai situasi.
The EPR Experiment Percobaan EPR
"God does not play dice" was Albert Einstein's reply to the Uncertainty Principle. 35 Thus being his belief, he spent a good deal of his life after 1925 trying to determine both the position and the momentum of a particle. "Tuhan tidak bermain dadu" adalah jawaban Albert Einstein untuk Prinsip Ketidakpastian. 35 demikian menjadi keyakinannya, ia menghabiskan banyak hidupnya setelah 1925 mencoba untuk menentukan baik posisi dan momentum partikel. In 1935, Einstein and two other physicists, Podolski and Rosen, presented what is now known as the EPR paper in which they suggested a way to do just that. Pada 1935, Einstein dan dua fisikawan lainnya, Podolski dan Rosen, disajikan apa yang sekarang dikenal sebagai kertas EPR di mana mereka mengusulkan cara untuk melakukan hal itu. The idea is this: set up an interaction such that two particles are go off in opposite directions and do not interact with anything else. Idenya adalah ini: menyiapkan sebuah interaksi tersebut bahwa dua partikel yang pergi ke arah yang berlawanan dan tidak berinteraksi dengan hal lain. Wait until they are far apart, then measure the momentum of one and the position of the other. Tunggu sampai mereka terpisah jauh, kemudian mengukur momentum satu dan posisi yang lain. Because of conservation of momentum, you can determine the momentum of the particle not measured, so when you measure it's position you know both it's momentum and position 36 . Karena kekekalan momentum, Anda dapat menentukan momentum partikel tidak diukur, jadi ketika Anda mengukur posisi itu kau tahu baik itu momentum dan posisi 36 . The only way quantum physics could be true is if the particles could communicate faster then the speed of light, which Einstein reasoned would be impossible because of his Theory of Relativity. Fisika-satunya cara kuantum bisa benar adalah jika partikel bisa berkomunikasi lebih cepat maka kecepatan cahaya, yang Einstein beralasan tidak mungkin karena Teori Relativitas.
In 1982, Alain Aspect, a French physicist, carried out the EPR experiment 37 . Pada tahun 1982, Alain Aspect, seorang fisikawan Perancis, melakukan percobaan EPR 37 . He found that even if information needed to be communicated faster then light to prevent it, it was not possible to determine both the position and the momentum of a particle at the same time 38 . Ia menemukan bahwa bahkan jika informasi perlu dikomunikasikan lebih cepat maka cahaya untuk mencegah hal itu, yang tidak mungkin untuk menentukan baik posisi dan momentum sebuah partikel pada saat yang sama 38 . This does not mean that it is possible to send a message faster then light, since viewing either one of the two particles gives no information about the other 39 . Ini tidak berarti bahwa adalah mungkin untuk mengirim pesan lebih cepat maka cahaya, karena melihat salah satu dari dua partikel tidak memberikan informasi tentang lainnya 39 . It is only when both are seen that we find that quantum physics has agreed with the experiment. Hanya ketika keduanya melihat bahwa kita menemukan bahwa fisika kuantum telah setuju dengan percobaan. So does this mean relativity is wrong? Jadi, apakah ini berarti relativitas salah? No, it just means that the particles do not communicate by any means we know about. Tidak, itu hanya berarti bahwa partikel tidak berkomunikasi dengan cara apapun kita ketahui. All we know is that every particle knows what every other particle it has ever interacted with is doing. Yang kita tahu adalah bahwa setiap partikel tahu apa setiap partikel lain yang pernah berinteraksi dengan lakukan.
The Quantum and Planck's Constant Dan Quantum Planck's Constant
So what is that h that was so important in the Uncertainty Principle? Jadi apa itu h yang begitu penting dalam Prinsip Ketidakpastian? Well, technically speaking, it's 6.63 X 10 -34 joule-seconds 40 . Yah, secara teknis, ini 6,63 x 10 -34 joule-detik 40 . It's call Planck's constant after Max Planck who, in 1900, introduced it in the equation E= hv where E is the energy of each quantum of radiation and v is it's frequency 41 . Ini panggilan Planck konstan setelah Max Planck yang, pada tahun 1900, diperkenalkan dalam persamaan E = hv mana E adalah energi dari setiap kuantum radiasi dan v's frekuensi itu 41 . What this says is that energy is not continuous as everyone had assumed but only comes in certain finite sizes based on Planck's constant. Apa ini, dapat dikatakan bahwa energi tidak kontinyu karena semua orang telah diasumsikan tetapi hanya datang dalam ukuran hingga tertentu berdasarkan Planck konstan.
At first physicists thought that this was just a neat mathematical trick Planck used to explain experimental results that did not agree with classical physics. Pada fisikawan pertama berpikir bahwa ini hanyalah sebuah trik matematis rapi Planck digunakan untuk menjelaskan hasil eksperimen yang tidak setuju dengan fisika klasik. Then, in 1904, Einstein used this idea to explain certain properties of light--he said that light was in fact a particle with energy E= hv 42 . Kemudian, pada tahun 1904, Einstein menggunakan ide ini untuk menjelaskan sifat-sifat tertentu dari cahaya - cahaya dia mengatakan bahwa sebenarnya sebuah partikel dengan energi E = hv 42 . After that the idea that energy isn't continuous was taken as a fact of nature - and with amazing results. Setelah itu ide bahwa energi tidak kontinyu diambil sebagai fakta alam - dan dengan hasil yang luar biasa. There was now a reason why electrons were only found in certain energy levels around the nucleus of an atom 43 . Sekarang ada alasan mengapa elektron hanya ditemukan dalam tingkat energi tertentu di sekitar inti atom 43 . Ironically, Einstein gave quantum theory the push it needed to become the valid theory it is today, though he would spend the rest of his lift trying to prove that it was not a true description of nature. Ironisnya, Einstein teori kuantum memberikan dorongan yang dibutuhkan untuk menjadi teori yang berlaku sekarang ini, meskipun dia akan menghabiskan sisa angkat untuk mencoba membuktikan bahwa itu bukan gambaran sejati alam.
Also, by combining Planck's constant, the constant of gravity, and the speed of light, it is possible to create a quantum of length (about 10 -35 meter) and a quantum of time (about 10 -43 sec), called, respectively, Planck's length and Planck's time 44 . Selain itu, dengan menggabungkan konstanta Planck, konstanta gravitasi, dan kecepatan cahaya, adalah mungkin untuk menciptakan kuantum panjang (sekitar 10 -35 meter) dan kuantum waktu (sekitar 10 -43 detik), yang disebut, masing-masing ,'s panjang Planck dan waktunya Planck 44 . While saying that energy is not continuous might not be too startling to the average person, since what we commonly think of as energy is not all that well defined anyway, it is startling to say that there are quantities of space and time that cannot be broken up into smaller pieces. Sementara mengatakan energi yang tidak kontinu mungkin tidak terlalu mengejutkan kepada orang rata-rata, karena apa yang biasanya kita anggap sebagai energi adalah tidak semua yang didefinisikan dengan baik pula, itu mengejutkan untuk mengatakan bahwa terdapat jumlah ruang dan waktu yang tidak dapat dibatalkan Facebook menjadi potongan kecil. Yet it is exactly this that gives nature a finite number of routes to take when an electron interferes with itself. Namun justru ini yang memberikan alam jumlah terbatas rute untuk mengambil ketika sebuah elektron mengganggu dengan dirinya sendiri.
Although it may seem like the idea that energy is quantized is a minor part of quantum physics when compared with ghost electrons and the uncertainty principle, it really is a fundamental statement about nature that caused everything else we've talked about to be discovered. Meskipun mungkin tampak seperti ide bahwa energi adalah terkuantisasi adalah bagian kecil dari fisika kuantum bila dibandingkan dengan elektron hantu dan prinsip ketidakpastian, itu benar-benar adalah pernyataan mendasar tentang alam yang menyebabkan segala sesuatu yang kita sudah bicara tentang untuk ditemukan. And it is always true. Dan itu selalu benar. In the strange world of the atom, anything that can be taken for granted is a major step towards an "atomic world view". Dalam dunia yang aneh dari atom, apa pun yang dapat diambil untuk diberikan adalah langkah besar menuju "pandangan dunia atom".
Schrödinger's Cat Schrödinger's Cat
Remember a while ago I said there was a problem with the Copenhagen interpretation? Ingat beberapa waktu yang lalu saya mengatakan ada masalah dengan interpretasi Copenhagen? Well, you now know enough of what quantum physics is to be able to discuss what it isn't , and by far the biggest thing it isn't is complete. Nah, sekarang Anda cukup tahu apa fisika kuantum untuk dapat membahas apa tidak, dan sejauh ini hal terbesar itu tidak selesai. Sure, the math seems to be complete, but the theory includes absolutely nothing that would tie the math to any physical reality we could imagine. Tentu, matematika tampaknya menjadi lengkap, tetapi teori ini mencakup apa pun yang akan mengikat matematika untuk setiap realitas fisik kita bisa bayangkan. Furthermore, quantum physics leaves us with a rather large open question: what is reality? The Copenhagen interpretation attempts to solve this problem by saying that reality is what is measured. Selanjutnya, fisika kuantum meninggalkan kita dengan pertanyaan besar agak terbuka: apa yang realitas diukur? Kopenhagen Penafsiran mencoba untuk ini memecahkan masalah dengan yang mengatakan bahwa realitas adalah apa yang. However, the measuring device itself is then not real until it is measured. Namun, alat pengukur itu sendiri maka tidak nyata sampai diukur. The problem, which is known as the measurement problem, is when does the cycle stop? Masalahnya, yang dikenal sebagai masalah pengukuran, adalah ketika melakukan siklus berhenti?
Remember that when we last left Schrödinger he was muttering about the "damned quantum jumping." Ingatlah bahwa ketika kita terakhir meninggalkan Schrödinger ia bergumam tentang "melompat terkutuk kuantum." He never did get used to quantum physics, but, unlike Einstein, he was able to come up with a very real demonstration of just how incomplete the physical view of our world given by quantum physics really is. Dia tidak pernah terbiasa dengan kuantum fisika, tetapi, tidak seperti Einstein, ia mampu datang dengan demonstrasi yang sangat nyata betapa lengkap pandangan fisik dari dunia kita yang diberikan oleh fisika kuantum sebenarnya. Imagine a box in which there is a radioactive source, a Geiger counter (or anything that records the presence of radioactive particles), a bottle of cyanide, and a cat. Bayangkan sebuah kotak di mana ada sumber radioaktif, counter Geiger (atau apa pun yang mencatat kehadiran partikel radioaktif), sebotol sianida, dan kucing. The detector is turned on for just long enough that there is a fifty-fifty chance that the radioactive material will decay. Detektor dihidupkan untuk cukup lama bahwa ada kemungkinan fifty-fifty bahwa bahan radioaktif akan membusuk. If the material does decay, the Geiger counter detects the particle and crushes the bottle of cyanide, killing the cat. Jika material tidak busuk, penghitung Geiger mendeteksi partikel dan meremukkan botol sianida, membunuh kucing. If the material does not decay, the cat lives. Jika material tidak busuk, kehidupan kucing. To us outside the box, the time of detection is when the box is open. Bagi kita di luar kotak, waktu deteksi adalah ketika kotak terbuka. At that point, the wave function collapses and the cat either dies or lives. Pada titik itu, runtuh fungsi gelombang dan kucing baik mati atau hidup. However, until the box is opened, the cat is both dead and alive 45 . Namun, sampai kotak dibuka, kucing itu baik mati dan hidup 45 .
On one hand, the cat itself could be considered the detector; it's presence is enough to collapse the wave function 46 . Di satu sisi, kucing itu sendiri dapat dianggap detektor; itu keberadaan itu sudah cukup untuk runtuhnya fungsi gelombang 46 . But in that case, would the presence of a rat be enough? Tapi dalam kasus itu, akan kehadiran tikus cukup? Or an ameba? Atau amoeba itu? Where is the line drawn 47 ? Mana adalah garis yang ditarik 47 ? On the other hand, what if you replace the cat with a human (named "Wigner's friend" after Eugene Wigner, the physicist who developed many derivations of the Schrödinger's cat experiment). Di sisi lain, bagaimana jika Anda mengganti kucing dengan ("teman Wigner's" dinamai Eugene Wigner, fisikawan yang mengembangkan banyak derivasi percobaan kucing Schrödinger's) manusia. The human is certainly able to collapse the wave function, yet to us outside the box the measurement is not taken until the box is opened 48 . manusia ini tentu dapat runtuhnya fungsi gelombang, namun untuk kami di luar kotak pengukuran tidak diambil sampai kotak dibuka 48 . If we try to develop some sort of "quantum relativity" where each individual has his own view of the world, then what is to prevent the world from getting "out of sync" between observers? Jika kita mencoba mengembangkan semacam "relativitas kuantum" di mana setiap individu memiliki pandangan dunia sendiri, maka apa yang akan mencegah dunia dari mendapatkan "tidak sinkron" antara pengamat?
While there are many different interpretations that solve the problem of Schrödinger's Cat, one of which we will discuss shortly, none of them are satisfactory enough to have convinced a majority of physicists that the consequences of these interpretation s are better then the half dead cat. Meskipun ada interpretasi yang berbeda yang memecahkan masalah Cat Schrödinger's, salah satu yang akan kita diskusikan segera, tak satu pun dari mereka yang memuaskan cukup untuk meyakinkan mayoritas fisikawan bahwa konsekuensi interpretasi ini s lebih baik pada kucing mati setengah. Furthermore, while these interpretations do prevent a half dead cat, they do not solve the underlying measurement problem. Lebih jauh lagi, sementara ini interpretasi melakukan mencegah kucing setengah mati, mereka tidak memecahkan masalah pengukuran yang mendasari. Until a better intrepretation surfaces, we are left with the Copenhagen interpretation and it's half dead cat. Sampai permukaan intrepretation lebih baik, kita yang tersisa dengan interpretasi Kopenhagen dan itu kucing setengah mati. We can certainly understand how Schrödinger feels when he says, "I don't like it, and I'm sorry I ever had anything to do with it." 49 Yet the problem doesn't go away; it is just left for the great thinkers of tomorrow. Kita tentu bisa memahami bagaimana Schrödinger merasa ketika ia mengatakan, "Saya tidak suka itu, dan aku minta maaf aku yang pernah ada hubungannya dengan itu." 49 Namun masalah tidak hilang, yang hanya tersisa untuk pemikir besar besok.
The Infinity Problem Masalah Infinity
There is one last problem that we will discuss before moving on to the alternative interpretation. Ada satu masalah terakhir yang akan kita bahas sebelum pindah ke interpretasi alternatif. Unlike the others, this problem lies primarily in the mathematics of a certain part of quantum physics called quantum electrodynamics, or QED. Tidak seperti yang lain, masalah ini terletak terutama dalam matematika bagian tertentu dari fisika kuantum yang disebut kuantum elektrodinamika, atau QED. This branch of quantum physics explains the electromagnetic interaction in quantum terms. Ini cabang fisika kuantum menjelaskan interaksi elektromagnetik dalam hal kuantum. The problem is, when you add the interaction particles and try to solve Schrödinger's wave equation, you get an electron with infinite mass, infinite energy, and infinite charge 50 . Masalahnya adalah, ketika Anda menambahkan partikel interaksi dan mencoba untuk memecahkan persamaan gelombang's Schrödinger, Anda mendapatkan sebuah elektron dengan massa tak terhingga, energi tak terbatas, dan biaya tak terbatas 50 . There is no way to get rid of the infinities using valid mathematics, so, the theorists simply divide infinity by infinity and get whatever result the guys in the lab say the mass, energy, and charge should be 51 . Tidak ada cara untuk menyingkirkan terhingga menggunakan matematika yang valid, demikian, teori hanya membagi infinity oleh infinity dan mendapatkan apa hasilnya orang-orang di lab mengatakan massa, energi, dan biaya harus 51 . Even fudging the math, the other results of QED are so powerful that most physicists ignore the infinities and use the theory anyway 52 . Bahkan fudging matematika, hasil lain dari QED yang begitu kuat sehingga kebanyakan fisikawan mengabaikan terhingga dan menggunakan teori tersebut tetap 52 . As Paul Dirac, who was one of the physicists who published quantum equations before Schrödinger, said, "Sensible mathematics involves neglecting a quantity when it turns out to be small - not neglecting it just because it is infinitely great and you do not want it!". 53 Seperti Paul Dirac, yang merupakan salah satu fisikawan yang menerbitkan persamaan kuantum sebelum Schrödinger, berkata, "Masuk akal matematika melibatkan mengabaikan kuantitas ketika ternyata menjadi kecil - tidak mengabaikan hanya karena jauh besar dan Anda tidak menginginkannya! ". 53
Many Worlds Banyak Worlds
One other interpretation, presented first by Hugh Everett III in 1957, is the many worlds or branching universe interpretation 54 . Salah satu interpretasi lainnya, disajikan pertama oleh Hugh Everett III pada tahun 1957, adalah banyak dunia atau percabangan penafsiran alam semesta 54 . In this theory, whenever a measurement takes place, the entire universe divides as many times as there are possible outcomes of the measurement. Dalam teori ini, setiap kali pengukuran terjadi, seluruh alam semesta membagi sebanyak yang ada kemungkinan hasil pengukuran. All universes are identical except for the outcome of that measurement 55 . Semua alam semesta adalah sama kecuali untuk hasil bahwa pengukuran 55 . Unlike the science fiction view of "parallel universes", it is not possible for any of these worlds to interact with each other 56 . Tidak seperti pandangan fiksi ilmu "alam semesta paralel", tidak mungkin atas setiap dari dunia untuk berinteraksi satu sama lain 56 .
While this creates an unthinkable number of different worlds, it does solve the problem of Schrödinger's cat. Meskipun ini menciptakan jumlah tak terpikirkan dari dunia yang berbeda, itu tidak memecahkan masalah kucing Schrödinger's. Instead of one cat, we now have two; one is dead, the other alive. Alih-alih satu kucing, kita sekarang memiliki dua, salah satunya adalah mati, hidup lainnya. However, it has still not solved the measurement problem 57 ! Namun, masih belum memecahkan masalah pengukuran 57 ! If the universe split every time there was more then one possibility, then we would not see the interference pattern in the electron experiment. Jika alam semesta terbelah setiap kali ada lebih dari satu kemungkinan, maka kita tidak akan melihat pola interferensi pada percobaan elektron. So when does it split? Jadi ketika melakukan hal tersebut terbagi? No alternative interpretation has yet answered this question in a satisfactory way. Tidak ada interpretasi alternatif belum menjawab pertanyaan ini dengan cara yang memuaskan. And so the search continues… Dan pencarian terus ...
Further Reading Bacaan lebih lanjut
If you are interested in learning more about quantum physics, here are some books that you could try (check the bibliography for more specific information on the books you are interested in): Jika Anda tertarik untuk belajar lebih banyak tentang fisika kuantum, berikut adalah beberapa buku yang bisa Anda coba (memeriksa daftar pustaka untuk informasi lebih spesifik tentang buku yang Anda tertarik):
Richard Feynman's Lectures on Physics deals with the math associated with quantum physics. Richard Feynman Ceramah pada kesepakatan Fisika dengan matematika yang terkait dengan fisika kuantum. If you can understand basic calculus, then this book is for you. Jika Anda bisa memahami kalkulus dasar, maka buku ini adalah untuk Anda. Otherwise, while Lectures still provides some valuable information, you may find yourself lost before you get too far. Jika tidak, sedangkan Dosen masih menyediakan beberapa informasi yang berharga, Anda mungkin menemukan diri Anda hilang sebelum anda terlalu jauh.
John Gribbin's In Search of Schrödinger's Cat is an excellent non-mathematical treatment of quantum physics. John Gribbin's In Search of's Cat Schrödinger adalah pengobatan non-matematika yang sangat baik fisika kuantum. If you've been watching the footnotes you've seen that much of the data for this paper came from this book. Jika Anda telah menonton catatan kaki Anda telah melihat bahwa banyak data untuk tulisan ini berasal dari buku ini. It includes a good history of quantum physics. Ini termasuk sejarah yang baik fisika kuantum. Be advised that the sections on supergravity and supersymmetry at the end are outdated. Harap diperhatikan bahwa bagian pada supergravitasi dan supersimetri pada akhirnya sudah ketinggalan jaman.
Alastair Rae's Quantum Physics: Illusion or Reality presents the basics of quantum physics in terms of the polarization of light. Alastair Rae's Quantum Fisika: Illusion atau Realitas menyajikan dasar-dasar fisika kuantum dalam hal polarisasi cahaya. It's 118 pages, half of which are devoted to a discussion of the alternate interpretations of quantum physics, can easily be read in an afternoon. Itu 118 halaman, setengah dari yang dikhususkan untuk diskusi tentang interpretasi alternatif fisika kuantum, dengan mudah bisa dibaca di sore. It spends more time on alternate interpretations then Gribbin's book, but is less detailed in almost every other respect. Ini menghabiskan lebih banyak waktu di interpretasi alternatif maka buku Gribbin, tetapi kurang rinci dalam hampir segala hal lainnya. I suggest reading Gribbin's book first then this book. Saya sarankan membaca buku Gribbin pertama maka buku ini.
Home
